宽频带功率分析仪的实现与评价方法
功率测量仪器是用于测量电气设备所消耗功率的设备。它广泛用于家用电器，照明设备，工业用机器等研究开发或生产线等领域中。其中高频宽功率计或功率分析仪更是许多研究院所的重要科研设备。
近年来，伴随着功率测量仪器的高速化，电能转换器的转换频率也日益高频化。在诸如：荧光灯的变换器，电机的变换器，电源的变换器等领域中，对高频带、高精确度的功率测量仪器的需求越来越多。
横河宽频带功率分析仪PZ4000就是为了能够应对这样的需求而开发的产品，它的频带范围为DC ~ 1MHz。在开发PZ4000的过程中，需要对电压，电流以及功率的性能指标进行评价。但是，由于目前市场上还没有对1MHz以上频率的功率和电流进行评价的标准仪器，所以，我们采用了本公司特有的方法对电流和功率的性能指标进行了评价。
宽频带功率计设计概要
PZ4000提供了DC ~ 1MHz的测量带宽以及最高达5MS/s采样速率。该功率分析仪采用了LCD的显示屏，对输入信号可以同时以数值和波形的方式进行显示。由于具备了如上特性，所以除了可以进行数百KHz频带的功率测量以外，还可以对显示波形中任意区间段上的功率进行测量。此外对使用普通功率计无法测量的个别点的测量也能使用PZ4000来完成。
PZ4000输入部分由电压输入线路和电流输入线路两部分构成，它们彼此都是绝缘的。电压输入线路采用高阻抗输入方式（输入电阻：1MΩ），电流输入线路采用分流电阻方式（5A额定输入下使用100mΩ的分流电阻, 20A额定输入下使用10mΩ的分流电阻）。输入经过运算放大器调理后，经由A/D转换器转换成为数字信号。该数字信号经由光电耦合器（ISO）后，被记录在数据采集存储器（ACQ memory）中。此处的A/D转换器的转换速度最高可达到5MS/s。
DSP处理器跟据存储在数据采集存储器（ACQ memory）中的数据，计算出电压值、电流值和当前的功率值。CPU将计算结果输送到显示处理模块中，在LCD上显示出来。在DSP中计算电压、电流、当前功率的均方根公式如下所示。这里的en,in分别代表数字化后的第n个电压和电流的瞬时值。N代表采样次数
近年来，伴随着功率测量仪器的高速化，电能转换器的转换频率也日益高频化。在诸如：荧光灯的变换器，电机的变换器，电源的变换器等领域中，对高频带、高精确度的功率测量仪器的需求越来越多。
横河宽频带功率分析仪PZ4000就是为了能够应对这样的需求而开发的产品，它的频带范围为DC ~ 1MHz。在开发PZ4000的过程中，需要对电压，电流以及功率的性能指标进行评价。但是，由于目前市场上还没有对1MHz以上频率的功率和电流进行评价的标准仪器，所以，我们采用了本公司特有的方法对电流和功率的性能指标进行了评价。
宽频带功率计设计概要
PZ4000提供了DC ~ 1MHz的测量带宽以及最高达5MS/s采样速率。该功率分析仪采用了LCD的显示屏，对输入信号可以同时以数值和波形的方式进行显示。由于具备了如上特性，所以除了可以进行数百KHz频带的功率测量以外，还可以对显示波形中任意区间段上的功率进行测量。此外对使用普通功率计无法测量的个别点的测量也能使用PZ4000来完成。
PZ4000输入部分由电压输入线路和电流输入线路两部分构成，它们彼此都是绝缘的。电压输入线路采用高阻抗输入方式（输入电阻：1MΩ），电流输入线路采用分流电阻方式（5A额定输入下使用100mΩ的分流电阻, 20A额定输入下使用10mΩ的分流电阻）。输入经过运算放大器调理后，经由A/D转换器转换成为数字信号。该数字信号经由光电耦合器（ISO）后，被记录在数据采集存储器（ACQ memory）中。此处的A/D转换器的转换速度最高可达到5MS/s。
DSP处理器跟据存储在数据采集存储器（ACQ memory）中的数据，计算出电压值、电流值和当前的功率值。CPU将计算结果输送到显示处理模块中，在LCD上显示出来。在DSP中计算电压、电流、当前功率的均方根公式如下所示。这里的en,in分别代表数字化后的第n个电压和电流的瞬时值。N代表采样次数
电流性能指标的评价方法
目前市场上销售的交流电流信号的标准发生器的频率最大只是到100kHz，因此就无法获得频率超过100kHz的标准电流,同时也几乎找不到能够输出超过数安培/1MHz的电流发生器。所以，我们自己研制开发了能够生成1MHz的电流发生器。在输出频率超过100kHz的电流时，采用了我们自己的独特的方法对电流的性能指标进行了评价，以确保电流值的准确性。
这些电流发生器能够产生20A/200kHz，10A/500kHz，5A/1MHz的电流。频率超过100kHz的电流的评价方法是，使用宽频带数字万用表（DMM）对标准分流电阻上的电压降进行测量，并以此电压降作为评价PZ4000电流的一个参考。首先我们准备三种不同阻值的分流电阻，分别为10Ω，100mΩ，10mΩ。与之对应的电流的标准范围分别为，电阻为10Ω时，电流500mA以下 ，电阻为100mΩ时，电流为500mA～5A，电阻为10mΩ时，电流为5A～20A。
目前市场上销售的交流电流信号的标准发生器的频率最大只是到100kHz，因此就无法获得频率超过100kHz的标准电流,同时也几乎找不到能够输出超过数安培/1MHz的电流发生器。所以，我们自己研制开发了能够生成1MHz的电流发生器。在输出频率超过100kHz的电流时，采用了我们自己的独特的方法对电流的性能指标进行了评价，以确保电流值的准确性。
这些电流发生器能够产生20A/200kHz，10A/500kHz，5A/1MHz的电流。频率超过100kHz的电流的评价方法是，使用宽频带数字万用表（DMM）对标准分流电阻上的电压降进行测量，并以此电压降作为评价PZ4000电流的一个参考。首先我们准备三种不同阻值的分流电阻，分别为10Ω，100mΩ，10mΩ。与之对应的电流的标准范围分别为，电阻为10Ω时，电流500mA以下 ，电阻为100mΩ时，电流为500mA～5A，电阻为10mΩ时，电流为5A～20A。
10Ω分流电阻的阻抗值Z可通过LCR测定计（电感电容电阻测定计）来测量。由于测量精度的问题，不能用它测量100mΩ和10mΩ的阻抗，我们将经过10Ω分流电阻得到的标准500mA的电流作用在100mΩ的分流电阻上，使用DMM测量它两端的电压降。根据测量结果，计算出100mΩ分流的电阻的阻抗值Z。 采用同样方法测量10mΩ分流电阻的阻抗值Z，将经过100mΩ分流电阻得到的标准5A的电流作用在10mΩ的分流电阻上，使用DMM测量它两端的电压降，根据测量结果，计算出10mΩ分流的电阻的阻抗值Z。
图1是对PZ4000进行电流评价时的接线图。使用该方法对测量造成的不确定性将在下面介绍。在此，仅仅列举一些主要原因以及该种方法所引发的特有的原因。
在500 mA/1 MHz下的不确定性分析
1. 由于自身发热导致10Ω分流电阻的阻值变化。
将500 mA电流加载到10Ω分流电阻上，观察输出电压的变化. 这种评价考虑到了电流发生器短时间内的稳定性以及DMM的稳定性, 因为在真实的测试系统中包含这些设备。所有这些因素对结果的影响大概在0.005%。
2. LCR 测定计造成的不确定性
根据该仪器的精度指标， 在10Ω/1 MHz的测量精度是0.27%。
89.908 度. 根据电容器的相位角与合成导纳的相位角之间的差推测，由电压输入电路造成的影响是 0.002度。
3. DMM造成的不确定性
DMM 是使用 AC/DC 比较仪进行校准的, 在5 V/1 MHz 下造成的不确定性是 0.14%(95%)。
4.受DMM的输入电路的影响：
因为DMM的输入电路和10Ω分流电阻是以并联方式连接的, 10Ω分流电阻的阻抗与它和DMM的输入电路的并联阻抗的差别是造成不确定性的根源。如果使用LCR 测定计对DMM的输入电路和10Ω分流电阻的导纳进行测定。10Ω分流电阻的导纳是：G=0.0995359(S), B=-0.00808791(mS), Y="0".0998640(S), DMM的输入电路的导纳是：G=0.0370965(mS), B= -0.92098(mS),组合在一起的导纳是：G=0.0995730(S), B=-0.00900889(S), Y="0".0999797。 10Ω分流电阻的导纳与组合在一起的导纳是不同的, DMM的输入电路导致的不确定性是 -0.12%。
5. 流向10Ω分流电阻的电流与流向PZ4000的电流不同：
因为受电流发生器的电路，DMM的输入电路，在PZ4000的输入电路与地之间的寄生电容以及电缆的阻抗的影响，流向10Ω分流电阻的电流与流向PZ4000的电流是不同的， 我们在PZ4000和10Ω之前分别加入一个电流传感器 (CT) ，发现测量的结果是不同的. 流向P Z4000的电流是0.503613A, 流向10Ω分流电阻的电流是0.504223A, 误差是 -0.12%。
在500 mA/1 MHz测试条件下，综合所有的不确定性因素，对PZ4000产生的不确定性在0.35% (95%)。 这个值远比 PZ4000的所要求的精度指标小。
在5 A/1 MHz下的不确定性分析
1. 10Ω分流电阻，在500 mA下的不确定性。
10Ω分流电阻导致的不确定性与DMM在500 mA/1 MHz下导致的不确定性之和是 0.35% (95%)。
2. 在校准100 mΩ分流电阻时，流向10Ω和100 mΩ分流电阻的电流不同：
在100 mΩ分流电阻和10Ω分流电阻之前分别加入一个电流传感器 (CT), 测量的结果是不同的。流向100mΩ分流电阻的电流是 0.503473 A, 流向10Ω分流电阻的电流是0.503951 A, 误差是 -0.10%。
3. 由于自身发热导致100 mΩ分流电阻的阻值变化
将5A电流加载到100mΩ分流电阻上，观察输出电压的变化。 这种评价考虑到了电流发生器短时间内的稳定性以及DMM的稳定性, 因为在真实的测试系统中包含这些设备。所有这些因素对结果的影响大概在0.03%。
4. DMM导致的不确定性:
DMM 是使用AC/DC比较仪进行校准的, 在50 mV/1 MHz 下造成的不确定性是 0.41% (95%), 在0.5 V/1 MHz 下造成的不确定性是 0.32%(95%)。
5. 流向100mΩ分流电阻的电流与流向PZ4000的电流不同：
我们在PZ4000和100mΩ之前分别加入一个电流传感器 (CT) ，测量的结果是不同的. 流向PZ4000的电流是5.06274A, 流向100mΩ分流电阻的电流是5.06231A, 误差是 -0.01%。
在5 A/1 MHz测试条件下，综合所有的不确定性因素，对PZ4000产生的不确定性在0.62% (95%)。 这个值远比 PZ4000的所要求的精度指标小。
在5 A～20A下的不确定性分析
在 5 A～20 A 不确定性因素与 5 A/1 MHz中的不确定性因素类似, 所以在此不在讨论。
功率性能指标的评价方法
400Hz以下的功率测量可以通过标准功率计进行测定。但是，对超过400Hz的功率测定就不能是用这种方法了。我们使用的方法是将一个电容器作为负载，使用LCR测定计测量它的相位角，再通过测量其功率的方式来对超过400Hz的功率的性能指标进行评价。
以下是将电容作为负荷，功率的计算公式。（φc是电容器的相位角，δ是功率计内部电压输入线路和电流输入线路之间的相位差）
因为受电流发生器的电路，DMM的输入电路，在PZ4000的输入电路与地之间的寄生电容以及电缆的阻抗的影响，流向10Ω分流电阻的电流与流向PZ4000的电流是不同的， 我们在PZ4000和10Ω之前分别加入一个电流传感器 (CT) ，发现测量的结果是不同的. 流向P Z4000的电流是0.503613A, 流向10Ω分流电阻的电流是0.504223A, 误差是 -0.12%。
在500 mA/1 MHz测试条件下，综合所有的不确定性因素，对PZ4000产生的不确定性在0.35% (95%)。 这个值远比 PZ4000的所要求的精度指标小。
在5 A/1 MHz下的不确定性分析
1. 10Ω分流电阻，在500 mA下的不确定性。
10Ω分流电阻导致的不确定性与DMM在500 mA/1 MHz下导致的不确定性之和是 0.35% (95%)。
2. 在校准100 mΩ分流电阻时，流向10Ω和100 mΩ分流电阻的电流不同：
在100 mΩ分流电阻和10Ω分流电阻之前分别加入一个电流传感器 (CT), 测量的结果是不同的。流向100mΩ分流电阻的电流是 0.503473 A, 流向10Ω分流电阻的电流是0.503951 A, 误差是 -0.10%。
3. 由于自身发热导致100 mΩ分流电阻的阻值变化
将5A电流加载到100mΩ分流电阻上，观察输出电压的变化。 这种评价考虑到了电流发生器短时间内的稳定性以及DMM的稳定性, 因为在真实的测试系统中包含这些设备。所有这些因素对结果的影响大概在0.03%。
4. DMM导致的不确定性:
DMM 是使用AC/DC比较仪进行校准的, 在50 mV/1 MHz 下造成的不确定性是 0.41% (95%), 在0.5 V/1 MHz 下造成的不确定性是 0.32%(95%)。
5. 流向100mΩ分流电阻的电流与流向PZ4000的电流不同：
我们在PZ4000和100mΩ之前分别加入一个电流传感器 (CT) ，测量的结果是不同的. 流向PZ4000的电流是5.06274A, 流向100mΩ分流电阻的电流是5.06231A, 误差是 -0.01%。
在5 A/1 MHz测试条件下，综合所有的不确定性因素，对PZ4000产生的不确定性在0.62% (95%)。 这个值远比 PZ4000的所要求的精度指标小。
在5 A～20A下的不确定性分析
在 5 A～20 A 不确定性因素与 5 A/1 MHz中的不确定性因素类似, 所以在此不在讨论。
功率性能指标的评价方法
400Hz以下的功率测量可以通过标准功率计进行测定。但是，对超过400Hz的功率测定就不能是用这种方法了。我们使用的方法是将一个电容器作为负载，使用LCR测定计测量它的相位角，再通过测量其功率的方式来对超过400Hz的功率的性能指标进行评价。
以下是将电容作为负荷，功率的计算公式。（φc是电容器的相位角，δ是功率计内部电压输入线路和电流输入线路之间的相位差）
这里的φc是使用LCR测定计测量的，功率计内部的相位角δ则通过以下公式求得。（使用PZ4000测量的V，A，P值，也可通过公式（1）（2）（3）求得）
因此，校准功率值可以通过以下表达式进行计算，将内部相位角δ，校准的电压和电流_带入下面的表达式中，就能够求得功率的校准值。（V’，A’分别为电压，电流的校准值，φ为测量对象的相位角）
PZ4000精确到1MHz的评价也可以用同样的方法。使用该方法所造成的不确定性的主要原因如下所述。在此，仅仅列举一些主要的原因以及该评价方法所特有的原因。
在30 Vpk/10 Apk/1 MHz (0.04uF电容器)下的不确定性分析
1. LCR 测定计造成的不确定性
根据该仪器的精度指标， 在0.04uF/1 MHz的测量精度是0.212 度。
2. 受PZ4000的电压输入电路的影响：
因为电压输入电路和电容器是并联的, 电容器的相位角与它和电压输入电路的合成阻抗的相位角的不同是导致不确定性的根源。当使用LCR 测定计测量时,电容器的导纳是：G=398.127 (uS), B="252".487 (mS), q=-89.910度, 电压输入电路的G=6.16465 (uS), B="29".6126 (uS), 合成导纳是：G=404.292 (uS), B="252".517 (mS), q=-89.908 度。 根据电容器的相位角与合成导纳的相位角之间的差推测，由电压输入电路造成的影响是 0.002度。
3. 功率放大器波形失真造成的影响：
根据功率放大器的精度指标，在1 MHz下的失真因数是3%。通过计算，在这种情况下的受到的最大影响是0.052度。
4. PZ4000的电压输入电路和地之间的寄生电容造成的影响
因为电流输入端和电压输入电路和地之间的寄生电容是并联的， 电流输入端子间阻抗的相位角和合成阻抗（电流输入端子间阻抗与电压输入电路和地之间的寄生电容之间的合成阻抗）的不同是导致不确定性的根源. 当使用LCR 测定计测量时, 电流输入端的导 纳是：G=0.545548(S), B="2".17914(S), q="75".945(度), 电压输入电路和地之间的导纳是：G=8.34864(uS), B=-0.345007(mS), 合成导纳是：G=0.545563(S), B="2".17879(S), q="75".943(度)。根据电流输入端的相位角与合成导纳的相位角的差测算, 电压输入电路和地之间的寄生电容造成的影响是 -0.002 度。
5.由于电容器自身发热导致相位角变化造成的影响
如果电路带有0.04uF的容性负载，当通电时, 测量的PZ4000相位角值会发生变化，这种评价考虑到了PZ4000短时间内的稳定性, 因为在真实的测试系统中包含这些设备。所有这些因素对结果的影响大概在0.008 度。
6. PZ4000的输入电压和电容器导致的相位角变化：
改变输入电压, 评测PZ400 的输入电压和电容器的线性度。 得到最大的差值是 0.414 度。
在 30 Vpk/10 Apk/1 MHz下，综合所有的不确定性因素，由于内部相位角的原因，对PZ4000产生的不确定性在1.5% (95%)。这个值远比 PZ4000的所要求的在0 功率因数，1MHz下，20%的精度指标要求。
因此，校准功率值可以通过以下表达式进行计算，将内部相位角δ，校准的电压和电流_带入下面的表达式中，就能够求得功率的校准值。（V’，A’分别为电压，电流的校准值，φ为测量对象的相位角）
PZ4000精确到1MHz的评价也可以用同样的方法。使用该方法所造成的不确定性的主要原因如下所述。在此，仅仅列举一些主要的原因以及该评价方法所特有的原因。
在30 Vpk/10 Apk/1 MHz (0.04uF电容器)下的不确定性分析
1. LCR 测定计造成的不确定性
根据该仪器的精度指标， 在0.04uF/1 MHz的测量精度是0.212 度。
2. 受PZ4000的电压输入电路的影响：
因为电压输入电路和电容器是并联的, 电容器的相位角与它和电压输入电路的合成阻抗的相位角的不同是导致不确定性的根源。当使用LCR 测定计测量时,电容器的导纳是：G=398.127 (uS), B="252".487 (mS), q=-89.910度, 电压输入电路的G=6.16465 (uS), B="29".6126 (uS), 合成导纳是：G=404.292 (uS), B="252".517 (mS), q=-89.908 度。 根据电容器的相位角与合成导纳的相位角之间的差推测，由电压输入电路造成的影响是 0.002度。
3. 功率放大器波形失真造成的影响：
根据功率放大器的精度指标，在1 MHz下的失真因数是3%。通过计算，在这种情况下的受到的最大影响是0.052度。
4. PZ4000的电压输入电路和地之间的寄生电容造成的影响
因为电流输入端和电压输入电路和地之间的寄生电容是并联的， 电流输入端子间阻抗的相位角和合成阻抗（电流输入端子间阻抗与电压输入电路和地之间的寄生电容之间的合成阻抗）的不同是导致不确定性的根源. 当使用LCR 测定计测量时, 电流输入端的导 纳是：G=0.545548(S), B="2".17914(S), q="75".945(度), 电压输入电路和地之间的导纳是：G=8.34864(uS), B=-0.345007(mS), 合成导纳是：G=0.545563(S), B="2".17879(S), q="75".943(度)。根据电流输入端的相位角与合成导纳的相位角的差测算, 电压输入电路和地之间的寄生电容造成的影响是 -0.002 度。
5.由于电容器自身发热导致相位角变化造成的影响
如果电路带有0.04uF的容性负载，当通电时, 测量的PZ4000相位角值会发生变化，这种评价考虑到了PZ4000短时间内的稳定性, 因为在真实的测试系统中包含这些设备。所有这些因素对结果的影响大概在0.008 度。
6. PZ4000的输入电压和电容器导致的相位角变化：
改变输入电压, 评测PZ400 的输入电压和电容器的线性度。 得到最大的差值是 0.414 度。
在 30 Vpk/10 Apk/1 MHz下，综合所有的不确定性因素，由于内部相位角的原因，对PZ4000产生的不确定性在1.5% (95%)。这个值远比 PZ4000的所要求的在0 功率因数，1MHz下，20%的精度指标要求。
文章出处：EEFOCUS
